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Die Erfindung betrifft ein mikromechanisches Bauelement und ein Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements.
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Stand der Technik
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Mikromechanische Sensoren zur Messung von beispielsweise Beschleunigung, Drehrate, Magnetfeld und Druck sind bekannt und werden für verschiedene Applikationen im Automobil- und Consumer-Bereich in Massenfertigung hergestellt.
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DE 10 2009 000 167 A1 offenbart einen Inertialsensor mit zwei mikromechanischen Ebenen. Damit können Sensortopologien realisiert werden, die erhebliche Performancesteigerungen, zum Beispiel bezüglich einer Offsetstabilität von Beschleunigungssensoren ermöglichen. Dabei wird ein z-Beschleunigungssensor realisiert, bei dem die bewegliche Masse aus zwei mikromechanischen Schichten (erste und zweite MEMS-Funktionsschicht) gebildet wird und bei dem sowohl unterhalb als auch oberhalb der beweglichen Struktur kapazitive Auswerteelektroden angeordnet sind, nämlich in der Verdrahtungsschicht auf dem Substratwafer und in der zweiten MEMS-Funktionsschicht.
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Mit dieser sogenannten volldifferentiellen Elektrodenanordnung kann einerseits ein Kapazitätsbelag (Kapazität/Fläche) erhöht werden und andererseits auch eine gute Robustheit bezüglich Substratverformungen (beispielsweise verursacht durch Montagestress) erzielt werden. Der erstgenannte Aspekt führt zu einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis, der zweite unter anderem zu einer verbesserten Offsetstabilität des Sensors.
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Bekannt sind ferner Ansätze, bei denen ein MEMS- und ein Auswerte-ASIC-Wafer über Waferbondverfahren miteinander mechanisch und elektrisch verbunden werden, was als „vertikale Integration“ oder „hybride Integration“ oder „3D-Integration“ bezeichnet wird und beispielsweise aus
US 7 250 353 B2 ,
US 7 442 570 B2 bekannt ist. Dadurch können Sensortopologien für Inertialsensoren mit Bewegungen senkrecht zur Chipebene realisiert werden. Eine bewegliche MEMS-Struktur ist auf einem Auswerte-ASIC angeordnet, bevorzugt einem CMOS-Wafer, wobei die oberste Metalllage des ASICs als eine feste Gegenelektrode fungiert.
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Eine Erweiterung der vorgenannten Technologie sieht vor, dass zusätzlich zu Auswerteelektroden im CMOS-Wafer Auswerteelektroden im MEMS-Wafer bereitgestellt werden, wie beispielsweise aus
DE 10 2012 208 032 A1 bekannt ist. Dadurch kann eine Integrationsdichte, in diesem Fall eine Kapazität pro Fläche der Bauelemente erhöht werden, was zu reduziertem Rauschen und/oder kleinerem Flächenbedarf für die Bauelemente führen kann.
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Aus
DE 10 2012 208 032 A1 ist auch eine Anordnung mit zwei mikromechanischen Schichten bekannt, die mit einem vertikalen Integrationsprozess verknüpft werden. Der MEMS-Wafer wird dabei oberflächenmikromechanisch hergestellt und wird mittels eines Waferbondverfahrens mit einem ASIC mechanisch und elektrisch verbunden. Der MEMS-Wafer hat dabei außer dem Substrat drei polykristalline Silizium-Schichten (eine Verdrahtungsebene und zwei mikromechanische Schichten), die weitgehend unabhängig voneinander strukturiert werden können. Im Ergebnis umfasst der MEMS-Wafer dadurch zwei mikromechanische Funktionsschichten und eine Leiterbahnebene. Die beiden mikromechanischen Funktionsschichten sind miteinander verbunden und bilden ein einstückiges bzw. integrales Massenelement. Mittels Durchkontaktierungen (engl. through silicon via, TSV), die im ASIC-Wafer ausgebildet sind, kann von extern eine elektrische Verbindung mit Verdrahtungsebenen des ASIC-Wafers realisiert werden.
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DE 10 2009 029 202 A1 offenbart eine gestapelte Anordnung von mikromechanischen Bauelementen aus mehreren MEMS-Schichten, bei denen eine erste MEMS-Struktur in einer Funktionsschicht und wenigstens eine weitere MEMS-Struktur zumindest teilweise in wenigstens einer weiteren Funktionsschicht angeordnet sind. Derartige Strukturen, bei denen ebenfalls die Integrationssicht erhöht ist, lassen sich mittels eines Prozesses, der aus
DE 10 2009 000 167 A1 bekannt ist, realisieren.
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Weiterhin bekannt sind vertikal integrierte Bauelemente, bei denen zwei Waferstapel aufeinander gebondet werden, wobei beide Waferverbünde von einem MEMS-Wafer und einem CMOS-Wafer gebildet werden, wie beispielsweise aus
DE 10 2012 206 875 A1 bekannt ist, wobei der MEMS-Wafer zunächst über ein Waferbondverfahren auf den CMOS-Wafer aufgebracht wird und somit insgesamt ein Vierfach-Waferstapel gebildet wird. Auch mit dieser Anordnung kann eine Integrationsdichte der Bauelemente erhöht werden. Die Anordnung kann vorteilhaft sein, wenn der Flächenbedarf für MEMS-Funktionsstrukturen und die elektronische Auswerteschaltung ungefähr gleich groß sind.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes mikromechanisches Bauelement bereitzustellen.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem mikromechanischen Bauelement, aufweisend:
- – einen MEMS-Wafer mit wenigstens zwei beweglichen MEMS-Strukturen und einer ersten Verdrahtungsebene, wobei eine erste MEMS-Struktur und eine zweite MEMS-Struktur wenigstens abschnittsweise derart übereinander angeordnet sind, dass sie voneinander unabhängig bewegliche Massen bilden; und
- – einen Kappenwafer mit einer zweiten Verdrahtungsebene, wobei
- – der MEMS-Wafer mit dem Kappenwafer über eine Verbindungseinrichtung verbunden ist, wobei eine elektrische Signalauswertung und/oder eine Ansteuerung der MEMS-Strukturen wenigstens teilweise in der ersten Verdrahtungsebene und wenigstens teilweise in der zweiten Verdrahtungsebene durchführbar ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements, aufweisend die Schritte:
- – Ausbilden eines MEMS-Wafers und eines Kappenwafers;
- – Ausbilden von wenigstens zwei beweglichen MEMS-Strukturen im MEMS-Wafer und Übereinander-Anordnen der wenigstens zwei beweglichen MEMS-Strukturen derart, dass die beiden MEMS-Strukturen unabhängig voneinander bewegliche Massen bilden;
- – Ausbilden einer Verdrahtungsebene im MEMS-Wafer und einer Verdrahtungsebene im Kappenwafer, wobei mittels der Verdrahtungsebenen Auswerte- und/oder Ansteuersignale der MEMS-Strukturen wenigstens teilweise führbar sind; und
- – Verbinden des Kappenwafers mit dem MEMS-Wafer mittels einer Verbindungseinrichtung.
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Auf diese Weise lassen sich zwei unabhängige Sensorkonzepte bzw. -topologien in ein Gehäuse integrieren. Mit der im Kappenwafer angeordneten Verdrahtungsebene können umfassende Auswertetätigkeiten für das mikromechanische Bauelement durchgeführt werden. Vorteilhaft ist dieses Konzept einsetzbar, wenn ein Flächenbedarf für MEMS-Strukturen einen Flächenbedarf für eine zugehörige elektronische Auswerteschaltung übersteigt. Ein dafür erforderlicher Herstellungsprozess ist vergleichsweise einfach, da die beweglichen MEMS-Strukturen allesamt mit oberflächenmikromechanischen Verfahren hergestellt werden und lediglich ein einzelner Waferbond-Schritt zur Verkappung der Bauelemente erforderlich ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen des Bauelements sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen Bauelements ist dadurch gekennzeichnet, dass mittels der beiden MEMS-Strukturen dieselbe Sensiergröße erfassbar ist, wobei Sensiersignale der beiden MEMS-Strukturen elektrisch zusammenführbar sind. Auf diese Weise kann eine Funktionalität der MEMS-Strukturen gebündelt werden. Eine Sensiergenauigkeit des Bauelements kann dadurch vorteilhaft erhöht sein.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass die beiden MEMS-Strukturen über wenigstens ein Federelement miteinander gekoppelt sind. Dadurch kann eine einfach herzustellende mechanische Kopplung der beiden MEMS-Strukturen realisiert werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen Bauelements sieht vor, dass der Kappenwafer ein ASIC-Wafer ist. Dadurch kann vorteilhaft eine elektronische Schaltungsinfrastruktur des ASIC-Wafers zur Auswertung von Sensorsignalen genutzt werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass eine Durchkontaktierung zum elektrischen Kontaktieren des Bauelements im ASIC-Wafer und/oder im MEMS-Wafer ausgebildet ist. Dadurch können unterschiedliche elektrische externe Kontaktierungskonzepte umgesetzt werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass die erste MEMS-Struktur parallel zu einer Ebene des MEMS-Wafers auslenkbar ist und die zweite MEMS-Struktur normal zur Ebene der MEMS-Wafers auslenkbar ist. Dadurch können unterschiedlich detektierende Sensorkonzepte vorteilhaft in ein einzelnes Sensorgehäuse integriert werden. Eine Integrationsdichte kann dadurch vorteilhaft erhöht sein, wodurch Bauraum eingespart werden kann.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen Bauelements zeichnet sich dadurch aus, dass das mikromechanische Bauelement ein Inertialsensor ist. Auf diese Weise wird vorteilhaft ein nützlicher Anwendungsfall für das mikromechanische Bauelement bereitgestellt.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des mikromechanischen Bauelements sieht vor, dass mittels der ersten MEMS-Struktur ein Beschleunigungssensor und mittels der zweiten MEMS-Struktur ein Drehratensensor realisierbar ist. Auf diese Weise kann Sensorfunktionalität vorteilhaft in einem Bauelement integriert werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle offenbarten Merkmale, unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen sowie unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren den Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Gleiche oder funktionsgleiche Bauelemente haben gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu dargestellt.
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In den Figuren zeigt:
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1 eine herkömmliche mikromechanische Sensortopologie;
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2 eine weitere herkömmliche mikromechanische Sensortopologie;
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3 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements;
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4 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements;
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5 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements; und
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6 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt ein Ergebnis eines herkömmlichen Standardprozesses zur Herstellung eines Inertialsensors (Beschleunigungs-, Winkelbeschleunigungs-, Drehratensensor), mit dem eine bewegliche MEMS-Struktur 11 in einer polykristallinen MEMS-Funktionsschicht eines MEMS-Wafers 10 gebildet wird. und Bewegungen der MEMS-Struktur senkrecht zur Chipoberfläche („out of plane“) über eine erste Verdrahtungsebene 13, ebenfalls aus polykristallinem Silizium bestehend, detektiert werden können.
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Erkennbar ist der MEMS-Wafer 10 mit einem Substrat 1, auf dem eine Isolationsschicht 2, vorzugweise ein Oxidmaterial angeordnet ist. Auf der Isolationsschicht 2 ist die erste Verdrahtungsebene 13 mit elektrischen Leiterbahnen zum Abführen von Sensorsignalen der beweglichen MEMS-Struktur 11 angeordnet. Die MEMS-Struktur 11 ist um einen Drehpunkt P drehbar gelagert, wobei Pfeile Bewegungsrichtungen der MEMS-Struktur 11 andeuten. Dadurch wird eine z-Sensortopologie gebildet, bei der eine Auslenkung der MEMS-Struktur 11 Kapazitätsänderungen generiert, die über die erste Verdrahtungsebene 13 auswertbar sind.
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2 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere herkömmliche mikromechanische Sensortopologie mit einem MEMS-wafer 10 und einem ASIC-Wafer 20 mit einer Transistorebene 23, in der Auswerteschaltungen realisiert sind. Der ASIC-Wafer 20 umfasst ferner ein ASIC-Substrat 21. Die mikromechanische MEMS-Struktur 11 ist dabei ebenfalls um einen Drehpunkt P gelagert und zwischen einem ASIC-Wafer 20 und dem MEMS-Wafer 10 angeordnet. Erkennbar ist, dass Verdrahtungsebenen 22, 13 mit Auswerteelektroden sowohl im ASIC-Wafer 20 als auch im MEMS-Wafer 10 angeordnet sind.
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3 zeigt einen vereinfachten Querschnitt durch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen mikromechanischen Bauelements 100. In diesem Beispiel sind zwei drehbar gelagerte MEMS-Strukturen 11, 12, die z-Beschleunigungssensoren repräsentieren, in übereinander angeordneten ersten und zweiten MEMS-Funktionsschichten des MEMS-Wafers 10 ausgebildet. Die Aufhängungen der MEMS-Strukturen 11, 12 am MEMS-Substrat 1 sind der Einfachheit halber nicht dargestellt. Der erste untere Sensor hat feste Auswerteelektroden in der ersten Verdrahtungsebene 13 des MEMS-Wafers 10, der zweite obere Sensor hat feste Auswerteelektroden in der Verdrahtungsebene 22 des Kappen-Wafers 20. Der Kappenwafer 20 ist vorzugweise als ein ASIC-Wafer, vorzugweise ein CMOS-ASIC-Wafer mit elektronischen Auswerteschaltungen, Digitalschaltungen, Speicher, Schnittstellen, usw. in der Transistorebene 23 ausgebildet. Auf diese Weise kann eine Auswertekapazität vorteilhaft auf beide Wafer 10, 20 aufgeteilt werden, wodurch eine kompakte Bauform des mikromechanischen Bauelements 100 unterstützt ist. Die beweglichen Strukturen 11, 12 sind voneinander separiert jeweils nur in einer einzigen MEMS-Funktionsschicht ausgebildet.
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Der MEMS-Wafer 10 ist mittels einer Verbindungseinrichtung 30, vorzugsweise eine Bondverbindung mit dem Kappenwafer 20 verbunden.
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4 zeigt einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines mikromechanischen Bauelements 100. In dieser Variante sind beide beweglichen MEMS-Strukturen 11, 12 in Teilbereichen sowohl in der ersten als auch in der zweiten MEMS-Funktionsschicht des MEMS-Wafers 10 ausgebildet. Eine Anordnung der Anordnung der Verdrahtungsebenen 13, 22 mit den Festelektroden ist gegenüber der Anordnung von 4 unverändert.
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5 zeigt eine dritte Ausführungsform eines mikromechanischen Bauelements 100. Vorteilhaft ist mittels dieser Ausführungsform sowohl eine out-of-plane-Auslenkung der MEMS-Struktur 11 (senkrecht zur Ebene des MEMS-Wafers 10) erfassbar und mittels einer in der zweiten MEMS-Funktionsschicht gebildeten beweglichen MEMS-Struktur 12 in der zweiten MEMS-Funktionsschicht eine inplane-Auslenkung (in der Ebene des MEMS-Wafers 10) der MEMS-Struktur 12. Die MEMS-Struktur 12 ist mittels Aufhängungen 14 aufgehängt bzw. fixiert. Mit Hilfe von Federn 15 ist die MEMS-Struktur 12 in der Ebene des MEMS-Wafers 10 bewegbar.
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Die Auswerteelektroden des oberen Sensors sind in der zweiten Verdrahtungsebene 22 des ASIC-Wafers 20 angeordnet, wohingegen die Kontaktierung von Festelektroden 17, die in der zweiten Funktionsschicht angeordnet sind, über die erste Verdrahtungsebene 13 des MEMS-Wafers 10 erfolgt. Mittels der Festelektroden 17 erfolgt zusammen mit beweglichen Elektroden 16 eine Umwandlung von Bewegungsenergie der beweglichen MEMS-Struktur 12 in ein elektrisches Signal, das über die erste Verdrahtungsebene 13 des MEMS-Wafers 10 abgeführt wird.
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In allen vorgenannten Beispielen sind die beiden beweglichen MEMS-Strukturen 11, 12 mechanisch vollständig voneinander entkoppelt und realisieren auf diese Weise eigenständig bewegliche physikalische Massen. Es ist alternativ aber auch denkbar, eine Kopplung der übereinander angeordneten MEMS-Strukturen 11, 12 über Federelemente (nicht dargestellt) herzustellen, so dass die MEMS-Strukturen 11, 12 eine gemeinsame, gekoppelte Bewegung ausführen. In diesem Fall können die beiden MEMS-Strukturen 11, 12 zusammen ein gemeinsames Bauelement zur Erfassung lediglich einer einzigen Sensiergröße realisieren.
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Denkbar ist auch, dass die beweglichen MEMS-Strukturen 11, 12 die gleiche Messgröße erfassen und die elektrischen Signale der MEMS-Strukturen 11, 12 in einer Auswerteelektronik gemeinsam verarbeitet werden.
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Vorteilhaft erfolgt eine externe elektrische Kontaktierung des Bauelements 100 über Durchkontaktierungen im ASIC-Wafer 20 oder über Durchkontaktierungen im MEMS-Wafer 10. Die genannte Durchkontaktierung ist zunächst an eine unterste Metallebene eines Metall-Oxid-Stapels des ASIC-Wafers 20 elektrisch angebunden. In weiterer Folge ist eine elektrische Anbindung an Transistorebenen im Digitalteil und an einen Analogteil des ASIC-Wafers 20 realisiert. Schließlich ist eine elektrische Anbindung der Durchkontaktierung auch an eine Auswerte- oder Ansteuerelektrode des MEMS-Elements realisiert. Alternativ ist eine Kontaktierung des ASIC-Wafers von außen durch Freilegen von Bondpads auf der Vorderseite des ASIC-Wafers zum Beispiel über Ätzen oder Sägen des MEMS-Wafers 10 oberhalb einer Bondpadreihe möglich. Die genannten Varianten von externer elektrischer Kontaktierung sind in Figuren nicht dargestellt.
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Zusätzlich oder alternativ zu den oben erwähnten Aspekten eines Auswertens von kapazitiven Sensorsignalen ist mittels des mikromechanischen Bauelements auch ein Einprägen von Signalen des ASIC-Wafers 20 auf die beweglichen MEMS-Strukturen 11, 12 möglich, um zum Beispiel elektrostatische Kräfte zu erzeugen und dadurch die beweglichen MEMS-Strukturen 11, 12 in Bewegung zu versetzen, beispielsweise bei einem Antrieb eines Drehratensensors.
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6 zeigt ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen eines mikromechanischen Bauelements.
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In einem Schritt 200 werden ein MEMS-Wafer 10 und ein Kappenwafer 20 ausgebildet.
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In einem Schritt 210 werden ein Ausbilden von wenigstens zwei beweglichen MEMS-Strukturen 11, 12 im MEMS-Wafer 10 und Übereinander-Anordnen der wenigstens zwei beweglichen MEMS-Strukturen 11, 12 derart durchgeführt, dass die beiden MEMS-Strukturen 11, 12 unabhängig voneinander bewegliche Massen bilden.
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In einem Schritt 220 erfolgt ein Ausbilden einer Verdrahtungsebene 13 im MEMS-Wafer 10 und einer Verdrahtungsebene 22 im Kappenwafer 20, wobei mittels der Verdrahtungsebenen 13, 22 Auswerte- und/oder Ansteuersignale für die MEMS-Strukturen 11, 12 wenigstens teilweise führbar sind.
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In einem Schritt 230 wird der Kappenwafer 20 mit dem MEMS-Wafer 10 mittels einer Verbindungseinrichtung 30 verbunden.
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Zusammenfassend wird mit der vorliegenden Erfindung ein mikromechanisches Bauelement und ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Bauelements vorgeschlagen, das aufgrund eines gestapelten Aufbaus mit Verlagerung von Auswertekapazität in den Kappenwafer und den MEMS-Wafer eine erhöhte Integrationsdichte aufweist und dadurch eine kompakte Bauform mit reduzierter MEMS-Fläche realisiert. Besonders vorteilhaft ist das mikromechanische Bauelement als ein mikromechanischer Inertialsensor, z.B. für einen Beschleunigungssensor und/oder einen Drehratensensor verwendbar.
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Obwohl die Erfindung vorgehend anhand von konkreten Anwendungsbeispielen beschrieben worden ist, kann der Fachmann vorgehend auch nicht oder nur teilweise offenbarte Ausführungsformen realisieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009000167 A1 [0003, 0008]
- US 7250353 B2 [0005]
- US 7442570 B2 [0005]
- DE 102012208032 A1 [0006, 0007]
- DE 102009029202 A1 [0008]
- DE 102012206875 A1 [0009]
